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Ingénierie mécanique Transmission de puissance Tome 2. Du moteur au récepteur T

Ingénierie mécanique Transmission de puissance Tome 2. Du moteur au récepteur Transmissions par engrenages – Embrayages – Limiteurs de couple – Boîte de vitesses manuelles et automatiques – Réducteurs – Freins – Ressources complémentaires 4e ÉDITION Francis Esnault Agrégé de mécanique et diplômé du Conservatoire national des arts et métiers. Il a d’abord enseigné en STS au lycée Ozanam (Cesson-Sévigné) et en CPGE au lycée l’Assomption (Rennes) avant de dispenser ses cours à l’ECAM Rennes, dont il a bâti la structure des enseignements du génie mécanique. David Coquard Diplômé de l’École normale supérieure de Cachan, il est agrégé en sciences de l’ingénieur, spécialité ingénierie mécanique. Il enseigne en CPGE au lycée Marcel Callo (Redon) et à l’ECAM Rennes. llustration de couverture : adventtr/istockphoto.com © Dunod, 2018 11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff www.dunod.com ISBN 978-2-10-078280-2 Préface Cet ouvrage s’inscrit dans un projet pédagogique de deux auteurs dont le principal objectif est de proposer au lecteur mécanicien l’usage des outils numériques (modélisations 3D interactives dispo nibles en ligne) aidant à la compréhension des systèmes de transmission de puissance modernes. Grâce à un accompagnement visuel via des vidéos de démonstration, le lecteur apprenant sera forte ment sollicité pour réaliser un nombre significatif d’études et d’exercices pratiques. Les auteurs ont intégré dans leur ouvrage un nouveau chapitre où sont notamment présentées deux applications de transmissions d’automobiles. La première traite de la technologie d’un groupe moto propulseur hybride, la seconde de celle d’un groupe motopropulseur électrique. Ces analyses, rédi gées en collaboration avec les groupes automobiles Toyota et Renault-Nissan, abordent la problématique sous l’angle particulier des préoccupations actuelles que sont la réduction de la consommation énergétique et des rejets dans l’atmosphère. Par ces quelques mots, je tenais à rendre hommage aux auteurs, Francis Esnault et David Coquard, mes collègues de l’ECAM-Rennes, pour leur pugnacité à vouloir transmettre avec une démarche pédagogique innovante, les dernières avancées du domaine. Jean-Marie Malhaire Chef du département Génie industriel et Mécanique, ECAM-Rennes Avant-propos Ce second tome, issu d’une collection de trois ouvrages, constitue la suite logique du premier de la série. Alors que le tome 1 présente de manière transversale la construction mécanique dans ses principes, celui-ci analyse un à un les organes communément installés dans une chaîne de transmis sion de puissance entre le moteur et le récepteur. Ainsi, après un préambule sur les trains d’engrenages, sont successivement présentés les embrayages, les limiteurs de couple, les boîtes de vitesses, les réducteurs et les freins. Chacun de ces organes apparaît en deux chapitres dissociés : un premier – traitant des « principes » – où l’analyse se base exclusivement sur une illustration schématique afin d’affranchir le lecteur d’une éventuelle difficulté de lecture de plans parfois complexes, et un deuxième – traitant des « réalisations » – présentant cette fois des mécanismes sous la forme de dessins industriels. Cette quatrième édition enrichit la précédente à double titre. En effet, un nombre important d’exercices corrigés a été ajouté (relatifs aux réducteurs et aux freins), et un chapitre (chapitre 11) a été ajouté en fin d’ouvrage. Ce dernier, intitulé « Ressources complémentaires », a pour vocation d’aider le lecteur à la compréhension du fonctionnement de chacun des organes analysés dans les chapitres précédents. Dans les compléments numériques de cet ouvrage, l’apprenant a en effet la possibilité de visionner une animation 3D, ou de démonter virtuellement un mécanisme. Une aide significative y est donc offerte aux étudiants non rompus à la lecture de plans. Nous tenons à remercier ici Benjamin Sauvager et Ahmad Al khatib, professeur à l’ECAM, pour leur relecture et la pertinence de leurs remarques. Nos remerciements vont aussi à David Mazuir, chef de Projet Moteurs et Batteries de véhicules électriques au Technocentre Renault, pour nous avoir fourni les informations sur le moteur électrique R110. Les auteurs Table des matières CHAPITRE 1 • TRANSMISSIONS PAR ENGRENAGES 1 1.1 Pourquoi modifier la fréquence de rotation ? 1 1.2 Train ordinaire 4 1.3 Train épicycloïdal plan 7 1.4 Train épicycloïdal sphérique 14 1.5 Exemples de calculs 17 À savoir 20 CHAPITRE 2 • EMBRAYAGES. ÉNONCÉ DES PRINCIPES 29 2.1 Situation - Fonction (fig. 2.1) 29 2.2 Classification 30 2.3 Principes mis en œuvre pour assurer l’existence de « l’entraînement » 31 2.4 Étude mécanique 38 À savoir 49 CHAPITRE 3 • EMBRAYAGES. RÉALISATIONS 51 3.1 Étude particulière d’un embrayage monodisque pour véhicule automobile 51 3.2 Réalisations d’embrayages à usages divers 56 À savoir 65 3.3 Exercices corrigés 67 CHAPITRE 4 • LIMITEURS DE COUPLE. RÉALISATIONS 73 4.1 Classification des limiteurs de couple 73 4.2 Exemples de réalisations de limiteurs de couple 75 À savoir 82 4.3 Exercice corrigé 83 CHAPITRE 5 • BOÎTES DE VITESSES. ÉNONCÉ DES PRINCIPES 87 5.1 Fonction 87 5.2 Conception d’une boîte de vitesses d’automobile 88 5.3 Étude des mécanismes propres aux boîtes de vitesses à trains ordinaires 96 À savoir 102 VI Ingénierie mécanique CHAPITRE 6 • BOÎTES DE VITESSES À COMMANDE MANUELLE. RÉALISATIONS 103 6.1 Classification (Tab. 6.1) 103 6.2 Organes communs aux boîtes de vitesses à deux et trois arbres 104 6.3 Boîtes de vitesses à deux et trois arbres à commande manuelle 111 À savoir 119 6.4 Exercices corrigés 120 CHAPITRE 7 • BOÎTES DE VITESSES AUTOMATIQUES 125 7.1 Introduction 126 7.2 Classification des boîtes de vitesses automatiques 126 7.3 Présentation particulière des boîtes de vitesses à trains épicycloïdaux 127 7.4 Présentation particulière des boîtes de vitesses robotisées à rapports fixes 136 7.5 Présentation particulière des boîtes de vitesses robotisées à variation continue 144 7.6 Présentation particulière des boîtes de vitesses robotisées, à trois arbres, sans rupture de couple 149 À savoir 153 7.7 Exercices corrigés 155 CHAPITRE 8 • RÉDUCTEURS 163 8.1 Définition - Fonction (fig. 8.1) 163 8.2 Positions relatives (arbre primaire 1 – arbre secondaire 2) 164 8.3 Réducteurs élémentaires montés en série. Réducteurs élémentaires montés en parallèle 167 8.4 Évaluation des rendements d’un réducteur 169 8.5 Critères de dimensionnement d’un réducteur 170 8.6 Dispositions constructives diverses 171 À savoir 179 8.7 Exercices corrigés 179 CHAPITRE 9 • FREINS. ÉNONCÉ DES PRINCIPES 189 9.1 Fonction – Situation 189 9.2 Classification 189 9.3 Étude mécanique 192 À savoir 213 CHAPITRE 10 • FREINS. RÉALISATIONS 215 10.1 Présentation générale d’une installation de freinage sur un véhicule automobile 215 10.2 Servo-frein pour installation hydraulique 217 10.3 Maître-cylindre 221 10.4 Répartiteur de freinage 224 10.5 Dispositions constructives pour freins à tambour 227 Table des matières VII © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. 10.6 Dispositions constructives pour freins à disque 231 10.7 Matériaux Contre-matériaux 233 10.8 Canalisations 237 10.9 Réalisations de dispositifs de freinage à usages divers 237 À savoir 247 10.10 Exercices corrigés 247 CHAPITRE 11 • RESSOURCES COMPLÉMENTAIRES 255 11.1 Actionneur linéaire 255 11.2 Batteur mélangeur 261 11.3 Motorisation hybride 264 11.4 Moteur électrique 268 11.5 Réducteur différentiel de voiture 273 11.6 Embrayage de voiture 273 11.7 Actionneur de boîte de vitesses 273 11.8 Boîte de vitesses automatiques 274 11.9 Frein à disque, tambour et sabot 274 INDEX 277 © Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit. Chapitre 1 Transmissions par engrenages Introduction Les raisons qui conduisent à devoir modifier la vitesse angulaire en sortie d’un mécanisme, à partir d’une vitesse angulaire d’entrée donnée, diffèrent selon les applications. Le plus sou- vent, elles sont d’ordre cinématique ou énergétique. De nombreux dispositifs existent pour assurer cette fonction. Nous allons nous limiter ici à la présentation des engrenages pour les- quels on va analyser deux modes d’installation, en trains ordinaires ou en trains épicycloï- daux. Dans le tome 3 de cette même collection, nous présenterons les autres dispositifs assurant la même fonction. Nous invitons ici le lecteur à associer la lecture de ce présent chapitre à celle du chapitre 11 où les mécanismes sont présentés en 3D avec possibilité d’interactivité pour le livre numéri- que, et aussi avec animation vidéo (voir paragraphes 11.1 à 11.5 en pages 255 à 273). 1.1 POURQUOI MODIFIER LA FRÉQUENCE DE ROTATION ? 1.1.1 Raison d’ordre cinématique L’enlèvement de copeaux en usinage (tournage, ou fraisage par exemple) nécessite une vitesse de coupe relative pièce/outil qui dépend essen tiellement de la nature des matériaux concernés (pièce à usiner et outil). Le respect de cette vitesse de coupe, dont les valeurs sont expéri mentales, conditionne la qualité du résultat en ce qui concerne, par exemple, l’état de surface obtenu, et la durée de vie de l’outil. La figure 1.1 illustre le cas du tournage. Le tableau 1.1 donne quelques valeurs couran tes de vitesse de coupe en fonction des maté riaux concernés. Ainsi, la boîte de vitesses installée en aval du man drin porte-pièce (sur un tour), ou de la broche porte-fraise (sur une fraiseuse), doit-elle permettre le choix d’une vitesse angulaire indé pendamment de considérations d’ordre énergéti que. Celles-ci pourraient, par exemple, avoir comme finalité la modification du couple disponi ble appliqué à S 1 afin d’augmenter, ou diminuer l’effort de coupe nécessaire à l’arra chement du copeau. Notons que dans le cas d’un usinage, la puissance motrice au départ de la chaîne cinématique, est prévue pour uploads/Ingenierie_Lourd/ ingenierie-mecanique-transmission-de-puissance.pdf